一種GPS接收機中自動(dòng)增益控制的設計

摘要：在GPS接收機中，由于不同的傳輸距離以及多路徑衰減的效應，使得接收機收到的信號強度是不固定的，所以采用一個(gè)自動(dòng)增益控制電路來(lái)將信號強度處理成一個(gè)固定的強度大小。本文的目的在于，分析與設計一個(gè)應用與GPS衛星導航接收機的自動(dòng)增益控制電路。介紹了自動(dòng)增益控制的原理，對相關(guān)的電路設計進(jìn)行了分析，并給出了仿真結果。

GPS(Global Position System)是全球定位系統的簡(jiǎn)稱(chēng)，目的是在全球范圍內對地面或空中目標進(jìn)行準確定位和監測。隨著(zhù)全球性空間定位信息應用的日益廣泛，GPS提供的定位服務(wù)給人們的生活帶來(lái)了巨大的變化和深遠的影響。自動(dòng)增益控制(Automatic Gain Control)系統是無(wú)線(xiàn)接收機的關(guān)鍵模塊，對于GPS接收機來(lái)說(shuō)，在實(shí)際的應用中進(jìn)入接收機頻帶的信號很多，除了有用信號，噪聲的干擾、環(huán)境的變化都會(huì )使信號起伏變化，影響信號的處理，基于以上目的需要一種能夠自動(dòng)調節增益，并且具有較大增益范圍的系統來(lái)控制信號的變化，這就是自動(dòng)增益控制系統。

自動(dòng)增益控制系統在接收機中主要完成以下兩方面工作：第一，防止信號過(guò)大引起接收機過(guò)載。對于接收信號來(lái)說(shuō)由于距離不同，接收信號也有強弱之分，當距離較近時(shí)信號可能會(huì )過(guò)強，距離遠時(shí)信號會(huì )較弱。這時(shí)要求接收機能夠適應這種變化，信號強時(shí)減小接收機增益，信號弱時(shí)增大接收機增益。第二，補償接收機增益不穩定。當接收機工作時(shí)，電壓的不穩定性、工藝參數、溫度的變化都會(huì )引起增益起伏，自動(dòng)增益控制就是補償由接收機本身造成的誤差。

1 AGC工作原理概述

自動(dòng)增益控制主要包括3個(gè)部分：自動(dòng)增益控制放大器、脈沖寬度調制(PWM)式自動(dòng)增益控制和一個(gè)脈沖寬度譯碼器。其中自動(dòng)增益控制放大器和脈沖寬度譯碼器在射頻芯片中實(shí)現，脈沖寬度調制(PWM)式自動(dòng)增益控制在基帶芯片中實(shí)現。

其工作原理為：自動(dòng)增益控制放大器負責放大中頻信號保證其正常被A/D采樣為兩位數字信號SIGN、MAG，其中MAG信號的占空比反映了中頻信號的幅度，即在一定程度上反映了自動(dòng)增益控制放大器的增益;脈沖寬度調制(PWM)式自動(dòng)增益控制根據輸入的MAG信號(可能為I|Q分離后的MAG信號)對信號增益進(jìn)行控制，并最終反饋輸出一個(gè)脈沖寬度調制信號以重新調節自動(dòng)增益控制放大器的增益;脈沖寬度譯碼器負責將這一脈沖寬度調制信號解調為5位二進(jìn)制增益控制字，并輸出到自動(dòng)增益控制放大器的每一個(gè)增益級，達到自動(dòng)調節放大器總增益的目的。

基帶中的AGC主要是完成對I路和0路的MAG中1的個(gè)數進(jìn)行一個(gè)統計，如果統計出的結果大于設定的閾值，那么就會(huì )增加輸出的增益調整脈沖寬度，使得信號增益降低;相反地，如果統計出的結果小于閾值，則減小增益調整脈沖寬度，使得信號增益增加。

2 各模塊具體設計

2.1 自動(dòng)增益控制放大器

自動(dòng)增益控制放大器由5位二進(jìn)制增益控制字(B1～B5)控制開(kāi)關(guān)的五級放大電路(agc5、agc43、agc21)級聯(lián)組成。每級agc放大電路由兩級不同增益的差分放大管串聯(lián)而成，偏置電路為每級差分對放大管提供相同的尾電流，其中一級放大管由B1～B5低電平有效的開(kāi)關(guān)控制，集電極接大的負載電阻，為高增益放大級;另一級放大管由B1～B5高電平有效的開(kāi)關(guān)控制，集電極接同樣的負載電阻但發(fā)射極接負反饋電阻，增大了放大管的線(xiàn)性工作范圍但降低了增益，為低增益放大級。這樣，B1～B5不同的邏輯位控制輸出不同的增益。

各級放大管增益的設計遵循以下原則：

agc5、agc43采用阻容級間耦合方式，agc21采用直接耦合方式，并在輸出接有電壓buffer以保證放大器的負載能力。耦合阻容額外提供了整個(gè)放大器的上限頻率，而放大器本身及電壓buffer(射隨器)提供了下限頻率，使得整個(gè)放大器的頻率響應為一帶通形狀。

2.2 脈沖寬度調制(PWM)式自動(dòng)增益控制

圖1說(shuō)明了脈沖寬度調制(PWM)式自動(dòng)增益控制的硬件實(shí)現架構。這個(gè)模塊從數據分離器中取I和Q的幅度位(MAG)輸出，計算1ms內累加的IQ或I|Q，即通過(guò)MAG信號的占空比計算當前AGC的增益。然后將計算結果與可編程的RF閾值(由寄存器寫(xiě)入)做比較，以此來(lái)決定下一個(gè)毫秒 AGC的增益。累加和比較操作是通過(guò)一個(gè)減計數器(RfThrHCnt)實(shí)現的，這個(gè)計數器的初始化值是在毫秒邊沿由13位可編程的RF閾值設定。若 IQ或I|Q為0，則RF閾值保持不變;若IQ或I|Q為1，則RF閾值減“1”。1ms內RF閾值減計數的最終結果送入下一級 AGC Cnt中。

RF閾值的設定原理如下：在I|Q的情況下，對1msI和Q中1的個(gè)數進(jìn)行累加。在整個(gè)1 ms的數據中，出現1的概率為0.3，出現0的概率為0.7。則I=1，Q=1的概率為0.3x0.3 =0.09，I=1，Q=0的概率為0.3x0.7=0.21，I=0，Q=1的概率為0.3x0.7=0.21，因此I|Q=1的概率為0.09+0.21+0.21=0.51。在38F0模式下，RF閾值=(1 023x38/2)x0.51 ≈9 913=2688，加上寄存器控制位的值8 000，就可得到寫(xiě)入寄存器800d123e中的閾值A688。

AGC Gain由一個(gè)可加/減計數器(AGC Cnt)來(lái)實(shí)現。這個(gè)計數器的初始化值是在毫秒邊沿由6位可編程的AGC Gain值(由寄存器寫(xiě)入)設定。若1 ms內RF閾值減計數的結果為0時(shí)，則AGC Gain值加“1”;若1 ms內RF閾值減計數的結果不為0時(shí)，則AGC Gain值減“1”;最終每1 ms輸出一個(gè)AGC Gain值(為6位二進(jìn)制數)，從一個(gè)毫秒到另一個(gè)毫秒AGC Gain值加“1”或減“1”。

AGC Gain值可以通過(guò)PWM模式輸出，將AGC Gain值與ACQCLK的7分頻后的時(shí)鐘做一運算，輸出脈寬信號AGC_DATA送到RF電路中，數據的脈沖寬度等于(AGCgain+1)*(period of ACQCLK/7)，其時(shí)序如圖2所示。

2.3 脈沖寬度譯碼器

該模塊將AGCDATA脈寬信號譯碼為5位二進(jìn)制增益控制位，來(lái)控制自動(dòng)增益控制放大器的五級不同增益的放大電路。該電路由延時(shí)部分、邏輯轉換部分、計數器部分、數據輸出部分4部分組成。

延時(shí)部分由3個(gè)DIG_DLY_7組成。DIG_DLY_7的功能可以看作是當時(shí)鐘上升沿到來(lái)后延時(shí)7個(gè)時(shí)鐘周期后觸發(fā)數據。

邏輯轉換部分產(chǎn)生3個(gè)邏輯：1)將AGCDATA串行脈寬數據(一個(gè)脈寬包含M個(gè)時(shí)鐘周期)的上升沿延時(shí)3T(T為7個(gè)時(shí)鐘周期)個(gè)時(shí)鐘單位，下降沿延時(shí) T個(gè)單位并與pwm_clk作與操作，變?yōu)榭商幚淼拿}寬數據，其脈沖寬度中包含M-14個(gè)時(shí)鐘周期，記為DATA0信號。2)產(chǎn)生比AGCDATA串行脈寬數據的上升沿延時(shí)T個(gè)時(shí)鐘周期，寬度為7個(gè)時(shí)鐘周期的RESET信號。3)產(chǎn)生比AGCDATA串行脈寬數據的下降沿延時(shí)2T個(gè)時(shí)鐘周期，寬度為T(mén)個(gè)時(shí)鐘周期的觸發(fā)時(shí)鐘信號，記為CLK0信號。

計數器部分由若干個(gè)分頻模塊組成。其操作過(guò)程如下：在A(yíng)GCDATA串行脈寬數據的一個(gè)脈寬上升沿來(lái)臨后延時(shí)3個(gè)時(shí)鐘周期接收到RESET信號，對所有的分頻模塊進(jìn)行復位。分頻模塊進(jìn)行復位后，在A(yíng)GCDATA串行脈寬數據的一個(gè)脈寬上升沿來(lái)臨后延時(shí)9個(gè)時(shí)鐘周期，DATA0數據輸入，進(jìn)入 DIV7cmos模塊，其分頻機制如下：因為DIV3cmos模塊中包含兩個(gè)D觸發(fā)器，當DATA0數據的第一個(gè)上升沿到來(lái)后不輸出數據，到第二個(gè)上升沿到來(lái)后觸發(fā)輸出第一個(gè)上升沿，以后每隔3個(gè)上升沿觸發(fā)一次，占空比為1：2。

總結輸入數據DATA0與輸出數據所包含的上升沿的關(guān)系：

a b

1個(gè)上升沿 0

2個(gè)上升沿 1

5個(gè)上升沿 2

8個(gè)上升沿 3

下面進(jìn)入若干個(gè)二分頻器模塊(組成計數器)，數出每個(gè)輸入數據所包含的上升沿數，并將結果送入數據輸出部分。

B1處計數結果應為：

B2～B5以后逐次進(jìn)位。

數據輸出部分由CLK0信號觸發(fā)數據，即在A(yíng)GCDATA串行脈寬數據的一個(gè)脈寬下降沿來(lái)臨后延時(shí)6個(gè)時(shí)鐘周期輸出由計數器部分計出的數據。

3 仿真結果

1)前仿結果：

①增益列表及步長(cháng)如表1所示。

由上可知：Gain Range=54.04 dB。

②頻率響應如表2所示。

由上可知：agc的小信號-3dB帶寬在12M左右。

2)Worst Case仿真結果如表3所示。

3)負載影響：

負載接adc后基本不影響agc增益。

4 結束語(yǔ)

用38f0下的AGC閾值和初值，導致的一個(gè)結果是輸出的脈沖寬度為368 ns。雖然增益很大，但是可以搜星，定位。一旦改變值，則不能搜星，定位。對這個(gè)現象的解釋暫時(shí)不清楚。